Vochtigheid in de adem maakt katoenen maskers effectiever in het vertragen van de verspreiding van COVID-19

Onderzoekers hebben een betere manier bedacht om te testen welke stoffen het beste werken voor maskers die bedoeld zijn om de verspreiding van COVID-19 te vertragen. Door die stoffen te testen onder omstandigheden die de luchtvochtigheid van iemands adem nabootsen, hebben de onderzoekers metingen verkregen die nauwkeuriger weergeven hoe de stoffen presteren wanneer ze worden gedragen door een levend, ademend persoon.

De nieuwe metingen laten zien dat onder vochtige omstandigheden de filtratie-efficiëntie – een maatstaf voor hoe goed een materiaal deeltjes opvangt – met gemiddeld 33% toeneemt in katoenen weefsels. Synthetische stoffen presteerden slecht in vergelijking met katoen en hun prestaties verbeterden niet met vochtigheid. Het materiaal van maskers voor medische procedures verbeterde ook niet met de vochtigheid, hoewel het in ongeveer hetzelfde bereik presteerde als katoen.

Deze studie, uitgevoerd door wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en het Smithsonian’s Museum Conservation Institute, werd gepubliceerd in Door ACS toegepaste nanomaterialen​

Een eerdere studie door hetzelfde onderzoeksteam toonde aan dat dubbellaagse maskers gemaakt van strak geweven katoenen stoffen met een verhoogd dutje, zoals washandjes, bijzonder effectief zijn bij het filteren van de adem. Dat onderzoek werd uitgevoerd onder relatief droge omstandigheden in het laboratorium en de belangrijkste bevinding staat nog steeds.

“Katoenen stoffen zijn nog steeds een goede keuze”, zegt NIST-onderzoeker Christopher Zangmeister. “Maar deze nieuwe studie toont aan dat katoenen stoffen eigenlijk beter presteren in maskers dan we dachten.”

De onderzoekers testten ook of vochtigheid de stof moeilijker maakt om door te ademen en vonden geen verandering in het ademend vermogen.

De Centers for Disease Control and Prevention (CDC) beveelt mensen aan om maskers te dragen om de verspreiding van COVID-19 te vertragen. Wanneer ze correct worden gedragen, filteren die maskers enkele van de met virus gevulde druppels die een geïnfecteerde persoon uitademt, en bieden ze ook enige bescherming aan de drager door de binnenkomende lucht te filteren.

Deze studie is een van de vele, uitgevoerd door NIST en andere organisaties, die hebben bijgedragen aan de eerste normen voor stoffen maskers die bedoeld waren om de verspreiding van COVID-19 te vertragen. Deze standaarden zijn onlangs vrijgegeven door de standaardenontwikkelingsorganisatie ASTM International.

De filtratie-efficiëntie van katoenen stoffen neemt toe in vochtige omstandigheden omdat katoen hydrofiel is, wat betekent dat het van water houdt. Door kleine hoeveelheden water in de adem van een persoon op te nemen, creëren katoenvezels een vochtige omgeving in de stof. Als microscopisch kleine deeltjes er doorheen gaan, absorberen ze een deel van dit vocht en worden ze groter, waardoor ze sneller vast komen te zitten.

De meeste synthetische stoffen zijn daarentegen hydrofoob, wat betekent dat ze niet van water houden. Deze stoffen nemen geen vocht op en hun filtratie-efficiëntie verandert niet in vochtige omstandigheden.

Voor deze studie testte het team stofstalen, geen echte maskers. Ten eerste maakten ze dubbellaagse stofstalen door ze in een kleine doos te plaatsen waar de lucht op 99% luchtvochtigheid werd gehouden – ongeveer hetzelfde als de uitgeademde lucht van een persoon. Ter vergelijking werd een tweede set stalen bereid bij een luchtvochtigheid van 55%. Nadat de weefsels een evenwicht hadden bereikt met de bevochtigde lucht, plaatsten de onderzoekers ze voor een pijp die lucht uitstraalde met ongeveer dezelfde snelheid als de uitgeademde lucht. Die lucht vervoerde zoutdeeltjes in een reeks van grootten die typerend zijn voor de druppeltjes die een persoon uitademt tijdens het ademen, spreken en hoesten. Deze zoutdeeltjesmethode wordt aanbevolen door het National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) van de CDC voor het meten van de filterprestaties van materialen voor het maken van maskers.

De onderzoekers berekenden de filtratie-efficiëntie door het aantal deeltjes in de lucht te meten voordat en nadat het door de stof ging. Ze maten het ademend vermogen door de luchtdruk aan beide kanten van de stof te meten terwijl de lucht er doorheen stroomde.

De onderzoekers testten negen verschillende soorten katoenen flanel, die onder vochtige omstandigheden hun filtratie-efficiëntie verhoogden van 12% naar 45%, met een gemiddelde stijging van 33%. Ze testten zes soorten synthetische stoffen, waaronder nylon, polyester en rayon. Alle presteerden slecht in vergelijking met katoenen flanel, ongeacht de luchtvochtigheid. Maskers voor medische procedures en N95-ademhalingsmaskers boden dezelfde filtratie-efficiëntie onder zowel hoge als lage luchtvochtigheid.

Hoewel de prestatiewijziging van katoenen washandjes groot is, nemen ze niet echt veel water op. Onder vochtige omstandigheden absorbeert een tweelaags katoenen flanellen masker ongeveer 150 milligram water uit menselijke adem, het equivalent van slechts één of twee druppels. Als stoffen maskers op andere manieren nat worden, kunnen ze moeilijk doorademen, en de CDC adviseert mensen ze niet te dragen bij activiteiten zoals zwemmen. Als maskers nat worden door het weer, moeten ze worden vervangen.

Hoewel dit onderzoek nuttige informatie oplevert voor mensen die gezichtsmaskers dragen, bevat het ook lessen voor wetenschappers die werken aan het verbeteren van maskers en het meten van hun prestaties.

“Om te begrijpen hoe deze materialen presteren in de echte wereld,” zei Zangmeister, “moeten we ze onder realistische omstandigheden bestuderen.”